(57)【要約】【課題】  排気バルブの開故障の際に、水素濃度の高い燃料オフガスが大気中に排気されることを防止することができる燃料電池システム、および、燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム２０の電源制御部８００は、排気シャットバルブ４４０が開故障であると判断した場合に、出口シャットバルブ４１０を閉弁させた後、出口シャットバルブ４１０を閉弁させた状態による燃料電池１００の電力生成を継続しないと判断した場合に、燃料電池１００の運転を停止する。【選択図】  図２
2005129243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスの電気化学反応によって電力を生成する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された前記反応後の燃料ガスである燃料オフガスを、前記燃料電池から大気中に導き排気する排気流路と、
前記排気流路に設けられ、開閉によって前記燃料オフガスの大気中への排気を調節する排気バルブと、
前記排気流路の状態に基づいて、前記排気バルブが開故障であるか否かを判断する故障判断手段と、
前記故障判断手段によって前記排気バルブが開故障であると判断された際に、前記水素燃料オフガスが大気中へ排気されることを阻止する排気阻止手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記故障判断手段は、
前記排気流路内の圧力、
前記排気流路に設けられ触媒を用いて前記燃料オフガスに含まれる水素を燃焼させるコンバスタの触媒温度、
前記排気バルブのバルブ開度、
前記排気バルブの開閉を制御する開閉指示信号
のうち少なくとも１つに基づいて、前記排気バルブが開故障であるか否かを判断する手段である
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記排気流路に設けられ、閉弁によって前記燃料オフガスの流動を遮断可能な遮断バルブを備え、
前記排気阻止手段は、前記故障判断手段によって前記排気バルブが開故障であると判断された際に、前記遮断バルブを閉弁させることによって、前記燃料オフガスが大気中へ排気されることを阻止する手段である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記排気阻止手段が前記燃料オフガスの排気を阻止した際の前記燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池における電力生成を継続するか否かを判断する継続判断手段と、
前記継続判断手段によって前記燃料電池における電力生成を継続しないと判断された際に、前記燃料電池の運転を停止する運転停止手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記継続判断手段は、
前記燃料電池の出力電圧および出力電流の間の関係、
前記燃料電池内部における前記燃料ガスの窒素濃度、
前記燃料電池内部における前記燃料ガスの水素濃度、
前記燃料電池の電圧降下
のうち少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池の電力生成を継続するか否かを判断する手段である
燃料電池システム。
【請求項６】
水素を含む燃料ガスの電気化学反応によって電力を生成する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池から排出された前記反応後の燃料ガスである燃料オフガスを前記燃料電池から大気中に導き排気する排気流路の状態に基づいて、前記排気流路に設けられ開閉によって前記燃料オフガスの大気中への排気を調節する排気バルブが、開故障であるか否か判断する工程と、
前記排気バルブが開故障であると判断した際に、前記燃料オフガスが大気中へ排気されることを阻止する工程と
を備えた燃料電池の運転方法。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池の運転方法であって、
前記排気バルブが開故障であるとの判断によって前記燃料オフガスの排気を阻止した際の前記燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池における電力生成を継続するか否かを判断する工程と、
前記燃料電池における電力生成を継続しないと判断した際に、前記燃料電池の運転を停止する工程と
を備えた燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料とする燃料電池を運転する燃料電池システム、および、水素を燃料とする燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料とする燃料電池は、供給された水素を含む燃料ガスの電気化学反応によって電力を生成し、この反応によって水素のかなりの部分を消費するとともに窒素などの不純物の濃度が高まった燃料オフガスを排出する。この燃料電池を運転することによって発電を行う燃料電池システムは、燃料ガスを燃料電池に供給するとともに、燃料オフガスを排気流路によって燃料電池から大気中に導き排気する。燃料オフガスの大気中への排気は、排気流路に設けられた排気バルブの開閉によって調整される。燃料オフガスは、未消費の水素を含むことがある水素含有ガスであり、可燃性を有することから、大気中に排気される燃料オフガス中の水素濃度が高まるような事態と、付近に着火源となり得るものにあるような事態とが重なると、燃料オフガスの着火現象が発生する危惧があった。
【０００３】
従来、燃料オフガスの着火現象を回避するため、燃料オフガスを不活性なガスと混合して水素濃度を希釈する希釈容器や、触媒を用いて燃料オフガス中の水素を燃焼させるコンバスタを用いて、大気中に排気される燃料オフガス中の水素濃度を低減することができる燃料電池システムがあった。下記特許文献１には、希釈容器やコンバスタを備えた燃料電池システムが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムは、排気バルブの開故障に対しては十分な検討が為されていなかった。すなわち、排気バルブが開故障となった場合には、燃料オフガスが大気中に排気され続けることによって、燃料電池に供給された燃料ガスは、燃料電池内に留まる時間が短くなり、含有水素が十分に消費される前に燃料オフガスとして燃料電池から排出される。この結果、水素濃度の高い燃料オフガスが燃料電池から排出され続け、希釈容器やコンバスタでは処理しきれずに、水素濃度の高い燃料オフガスが大気中に排気されてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決することを目的としてなされ、排気バルブの開故障の際に、水素濃度の高い燃料オフガスが大気中に排気されることを防止することができる燃料電池システム、および、燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスの電気化学反応によって電力を生成する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された前記反応後の燃料ガスである燃料オフガスを、前記燃料電池から大気中に導き排気する排気流路と、前記排気流路に設けられ、開閉によって前記燃料オフガスの大気中への排気を調節する排気バルブと、前記排気流路の状態に基づいて、前記排気バルブが開故障であるか否かを判断する故障判断手段と、前記故障判断手段によって前記排気バルブが開故障であると判断された際に、前記水素燃料オフガスが大気中へ排気されることを阻止する排気阻止手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、この燃料電池システムに対応した燃料電池の運転方法の発明は、水素を含む燃料ガスの電気化学反応によって電力を生成する燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池から排出された前記反応後の燃料ガスである燃料オフガスを前記燃料電池から大気中に導き排気する排気流路の状態に基づいて、前記排気流路に設けられ開閉によって前記燃料オフガスの大気中への排気を調節する排気バルブが、開故障であるか否か判断する工程と、前記排気バルブが開故障であると判断した際に、前記燃料オフガスが大気中へ排気されることを阻止する工程とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
かかる燃料電池システム、および、燃料電池の運転方法によれば、排気バルブの開故障が発生した際に、大気圧よりも高圧である燃料電池内の燃料ガスが、排気流路を通じて大気中へ流出することを防止することができる。この結果、水素濃度の高い燃料オフガスが大気中に排気されることを防止した上で、燃料電池の運転を停止する前に、燃料電池内に残留する燃料ガスを用いて電力生成を継続することができる。つまり、排気バルブの開故障の際に、リンプホーム（非常時運転）を行うことができる。
【００１０】
上記の構成を有する本発明の燃料電池システム、および、燃料電池の運転方法は、以下の態様を採ることもできる。本発明の燃料電池システムであって、前記故障判断手段は、前記排気流路内の圧力、前記排気流路に設けられ触媒を用いて前記燃料オフガスに含まれる水素を燃焼させるコンバスタの触媒温度、前記排気バルブのバルブ開度、前記排気バルブの開閉を制御する開閉指示信号のうち少なくとも１つに基づいて、前記排気バルブが開故障であるか否かを判断する手段であっても良い。
【００１１】
かかる燃料電池システムによれば、排気バルブの開故障に伴い排気流路に生じる種々の状態変化を開故障の判断材料とすることができる。例えば、排気流路内の圧力に基づく場合には、燃料オフガスが排気バルブを通過し続けることによって、排気バルブの上流側と下流側との圧力差が減少した状態が継続することや、排気バルブの上流側の圧力が上昇しないこと状態が継続することを、開故障の判断条件とすることができる。また、コンバスタの触媒温度に基づく場合には、コンバスタが水素濃度の高い燃料オフガスを連続して燃焼処理することによって、コンバスタが過度に発熱した状態を開故障の判断条件とすることができる。また、排気バルブのバルブ開度に基づく場合には、開故障を直接的に判断することができる。また、開閉指示信号に基づく場合には、排気バルブの制御系に起因する開故障を判断することができる。また、複数の判断条件を用いて少なくとも１つに該当する際に開故障であると判断する場合には、一部のセンサなどが故障していたとしても確実に開故障の判断を行うことができる。また、少なくとも２つの判断条件の組み合わせによって開故障を判断する場合には、判断精度を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムであって、前記排気流路に設けられ、閉弁によって前記燃料オフガスの流動を遮断可能な遮断バルブを備え、前記排気阻止手段は、前記故障判断手段によって前記排気バルブが開故障であると判断された際に、前記遮断バルブを閉弁させることによって、前記燃料オフガスが大気中へ排気されることを阻止する手段であっても良い。
【００１３】
かかる燃料電池システムによれば、排気流路における燃料オフガスの流動を直接的に遮断することによって、大気圧よりも高圧である燃料電池内の燃料ガスが、排気流路を通じて大気中へ流出することを防止することができる。なお、この遮断バルブは、開故障の際にのみ作動する専用のバルブに限るものではなく、排気バルブとは異なる他の用途のため排気流路に設けられた他のバルブを兼用しても良い。このようにバルブを兼用した場合には、燃料電池システムの構成の簡素化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムであって、前記排気阻止手段が前記燃料オフガスの排気を阻止した際の前記燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池における電力生成を継続するか否かを判断する継続判断手段と、前記継続判断手段によって前記燃料電池における電力生成を継続しないと判断された際に、前記燃料電池の運転を停止する運転停止手段とを備えても良い。
【００１５】
また、本発明の燃料電池の運転方法であって、前記排気バルブが開故障であるとの判断によって前記燃料オフガスの排気を阻止した際の前記燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池における電力生成を継続するか否かを判断する工程と、前記燃料電池における電力生成を継続しないと判断した際に、前記燃料電池の運転を停止する工程とを備えても良い。
【００１６】
かかる燃料電池システム、および、燃料電池の運転方法によれば、電力生成の継続の可否を燃料電池の耐久信頼性を考慮して判断することによって、リンプホームを過剰に行うことによる燃料電池の耐久信頼性の著しい低下を防止することができる。なお、残留燃料ガスの水素濃度の低下などに起因して、燃料電池内部で異常な電気化学反応が急増すると、燃料電池の内部構造の損傷を招き、燃料電池の耐久信頼性を低下させる場合がある。
【００１７】
また、本発明の燃料電池システムであって、前記継続判断手段は、前記燃料電池の出力電圧および出力電流の間の関係、前記燃料電池内部における前記燃料ガスの窒素濃度、前記燃料電池内部における前記燃料ガスの水素濃度、前記燃料電池の電圧降下のうち少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池の電力生成を継続するか否かを判断する手段であっても良い。
【００１８】
かかる燃料電池システムによれば、リンプホームの継続に伴い燃料電池に生じる種々の状態変化を、燃料電池の耐久信頼性を考慮したリンプホーム継続の判断材料とすることができる。例えば、前記燃料電池の出力電圧および出力電流の間の関係（以下、Ｉ−Ｖ性能という）に基づく場合には、正常な電気化学反応が困難となるに従ってＩ−Ｖ性能が低下することを、運転継続の判断条件とすることができる。また、正常な電気化学反応に必要な燃料ガス中の水素の濃度低下や、正常な電気化学反応を阻害する燃料ガス中の窒素の濃度上昇を、運転継続の判断条件とすることができる。また、前記燃料電池の電圧降下に基づく場合には、正常な電気化学反応が困難となるのに伴う電圧降下の増大を、運転継続の判断条件とすることができる。また、複数の判断条件を用いて少なくとも１つに該当する際に電力生成の継続不可であると判断する場合には、一部のセンサなどが故障していたとしても確実に電力生成の継続の判断を行うことができる。また、少なくとも２つの判断条件の組み合わせによって電力生成の継続を判断する場合には、判断精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。
【００２０】
目次
Ａ．第１の実施例（循環タイプ）
Ａ−（１）．燃料電池システム２０の構成
Ａ−（２）．燃料電池システム２０の動作
Ａ−（３）．電源制御部８００の開故障判断処理
Ａ−（４）．電源制御部８００の継続判断処理
Ｂ．第２の実施例（開故障判断処理）
Ｃ．第３の実施例（開故障判断処理）
Ｄ．第４の実施例（開故障判断処理）
Ｅ．第５の実施例（継続判断処理）
Ｆ．第６の実施例（継続判断処理）
Ｇ．第７の実施例（継続判断処理）
Ｈ．第８の実施例（デッドエンドタイプ）
Ｉ．その他の実施形態
【００２１】
Ａ．第１の実施例（循環タイプ）：
Ａ−（１）．燃料電池システム２０の構成：
はじめに、本発明の第１の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。図１は、本発明の実施例である燃料電池システム２０を搭載した電気自動車１０の概略構成を示すブロック図である。なお、図１の中では、図面を見やすくするために、一部の制御線などは省略されている。
【００２２】
燃料電池システム２０は、電力を動力源として走行する電気自動車１０に、電力を供給する電源として搭載されている。電気自動車１０は、燃料電池システム２０の他、三相コイルによって電力を回転動力に変換する駆動モータ９２０と、駆動モータ９２０の各相に対応したスイッチング素子によって燃料電池システム２０からの電力を駆動モータ９２０に供給する駆動インバータ９１０と、車両走行のために駆動モータ９２０の回転動力を変速し路面に伝達する駆動系伝達装置９３０とを備える。
【００２３】
燃料電池システム２０は、水素を含む燃料ガスの電気化学反応によって電力を生成する燃料電池１００と、高圧の燃料ガスを貯蔵する水素タンク２００と、燃料電池１００の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ７８０と、燃料電池１００で生成された電力や駆動モータ９２０で回生された電力を蓄える二次電池７９０と、燃料電池システム２０における種々の制御を行う電源制御部８００とを備える。
【００２４】
燃料電池１００は、水素極（アノード）と酸素極（カソード）との間に電解質を備えた単セルが複数積層されたスタック構造を有する。燃料電池１００は、水素を含有する燃料ガスの他、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）の供給を受けて、水素極側に燃料ガスを流すとともに、酸素極側に酸化ガスを流し、水素極と酸素極との間で水素の電気化学反応を行うことによって電力を生成する。
【００２５】
アノード側の燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って、水素濃度が低下するとともに、窒素などの不純物の濃度が上昇する。この不純物の濃度上昇は、燃料ガスの含有水素が消費され元々微量に含有する不純物が濃縮されることや、窒素を含有する酸化ガス中の不純物がカソード側からアノード側にリークすることなどによって起こる。一方、カソード側の酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下する。燃料電池１００は、水素濃度の低下した燃料ガスを燃料オフガスとして排出し、酸素濃度の低下した酸化ガスを酸素オフガスとして排出する。なお、燃料電池１００には、電解質の種類に応じた種々のタイプの燃料電池を用いることが可能であり、本実施例では、固体高分子型燃料電池を用いている。
【００２６】
燃料電池１００には、電力生成を実現するためのガス流路として、水素タンク２００に貯蔵された燃料ガスを燃料電池１００に供給する燃料ガス供給流路３００と、燃料オフガスを燃料電池１００から大気中に導き排気するアノード排気流路４００と、大気中の空気を酸化ガスとして燃料電池１００に供給する酸化ガス供給流路５００と、酸素オフガスを排気するカソード排気流路６００とが設けられている。これらのガス流路には、以下に説明するバルブやセンサなどが設けられている。
【００２７】
燃料ガス供給流路３００には、燃料ガスの供給の流れの上流から順に、弁の開閉によって水素タンク２００からの燃料ガスの放出を調節するタンクシャットバルブ３１０と、タンクシャットバルブ３１０を通過した燃料ガスを減圧する減圧バルブ３２０と、減圧バルブ３２０によって減圧された燃料ガスを過熱する熱交換器３３０と、熱交換器３３０によって加熱された燃料ガスを減圧する減圧バルブ３４０と、弁の開閉によって燃料電池１００への燃料ガスの供給を調節する入口シャットバルブ３６０とが配設されている。燃料ガス供給流路３００におけるタンクシャットバルブ３１０と減圧バルブ３２０との間には、減圧バルブ３２０，３４０によって燃料ガスの供給圧力を調整するために、燃料ガスの圧力を検出する供給圧力センサ３１５が設けられている。なお、燃料ガス供給流路３００に、燃料ガスに含まれる水分を除去する気液分離器を適宜設けても良い。
【００２８】
アノード排気流路４００には、燃料オフガスの排気の流れの上流から順に、弁の開閉によって燃料電池１００からアノード排気流路４００への燃料オフガスの排出を調節する出口シャットバルブ４１０と、燃料オフガスを加圧し送り出す循環ポンプ４３０と、弁の開閉によって燃料オフガスの大気中への排気を調節する排気シャットバルブ４４０と、燃料オフガスを不活性なガスである酸素オフガスと混合して水素濃度を希釈する希釈容器４５０と、希釈容器４５０によって希釈された燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器４６０と、白金触媒を用いて燃料オフガス中の水素を燃焼させるコンバスタ４７０とが配設されている。なお、アノード排気流路４００に、燃料ガスに含まれる水分を除去する気液分離器を適宜設けても良い。
【００２９】
燃料ガス供給流路３００とアノード排気流路４００との間には、アノード排気流路４００中の燃料オフガスを燃料ガス供給流路３００に戻して燃料ガスを循環させる循環流路４９０が設けられている。循環流路４９０は、燃料ガス供給流路３００とは減圧バルブ３４０と入口シャットバルブ３６０との間において連通し、アノード排気流路４００とは循環ポンプ４３０と排気シャットバルブ４４０との間において連通する。循環流路４９０には、燃料オフガスの逆流を防止するため、アノード排気流路４００側から燃料ガス供給流路３００側への水素オフガスの通過のみを許す逆止弁４９５が設けられている。
【００３０】
アノード排気流路４００には、流路内における燃料オフガスの状態を検出するセンサとして、出口シャットバルブ４１０の燃料電池１００側における燃料オフガス中の窒素濃度および水素濃度を検出するガス濃度センサ４０５と、排気シャットバルブ４４０の排気上流側における水素オフガスの圧力を検出する上流圧力センサ４３５と、排気シャットバルブ４４０の排気下流側における水素オフガスの圧力を検出する下流圧力センサ４４５とが設けられている。アノード排気流路４００に設けられた機器の状態を検出するセンサとして、排気シャットバルブ４４０には、バルブ開度を検出するバルブ開度センサ４４２が設けられ、コンバスタ４７０には、触媒の温度を検出する触媒温度センサ４７５が設けられている。
【００３１】
酸化ガス供給流路５００には、大気中から取り込んだ空気（酸化ガス）を浄化するエアクリーナ５１０と、酸化ガスを大気中から燃料電池１００に送り込むエアポンプ５２０と、酸化ガスを過湿する加湿器５３０とが、この順に酸化ガスの供給の流れの上流から配設されている。カソード排気流路６００は、アノード排気流路４００の希釈容器４５０に連通し、燃料電池１００から排気された酸素オフガスを希釈容器４５０に導き排気する。なお、燃料電池１００の各ガス流路に設けられた種々の装置をまとめて、以下、ガス流路補機という。また、ガス流路補機のうち、ガスの流動を直接的に操作しない気液分離器４６０や、希釈容器４５０，コンバスタ４７０などの装置は、実施の形態に応じて適宜、付加・削除しても良い。
【００３２】
燃料電池１００とＤＣ／ＤＣコンバータ７８０とは、電気配線７００を介して電気的に接続されており、この電気配線７００には、駆動インバータ９１０が電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ７８０と二次電池７９０とは、電気配線７００に対して電気的に並列接続されている。燃料電池１００には、燃料電池１００と電気配線７００との間の電気的接続を入り切り可能なスイッチ７１０が設けられている。電気配線７００には、電気配線７００の電圧を検出する電圧センサ７２０と、燃料電池１００の出力電流を検出する電流センサ７３０とが設けられている。スイッチ７１０が接続されている場合には、電圧センサ７２０の検出電圧は、燃料電池１００の出力電圧となる。なお、図１に図示しないが、電気配線７００には、電気自動車１０が備えるエアコンなどの種々の電気機器である車両補機と、ガス流路補機やスイッチ７１０などの燃料電池１００に関するＦＣ補機とに、電力を供給するためのインバータなどの装置も設けられている。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ７８０は、目標電圧値を設定することによって、燃料電池１００の出力電圧を調整する。また、二次電池７９０と電気配線７００との電気的接続を入り切りするスイッチとしても働き、二次電池７９０の充放電を行う必要がないときには、二次電池７９０と電気配線７００との電気的接続を切断する。
【００３４】
二次電池７９０としては、鉛蓄電池，ニッケル−カドミウム蓄電池，ニッケル−水素蓄電池，リチウム電池など種々の二次電池を用いることが可能である。二次電池７９０は、充放電における電流と時間との積算や、電池電圧の測定によって充電残量（State Of Charge、以下、ＳＯＣという）を検出する検出回路を備える。二次電池７９０は、ＳＯＣが所定値以下になると、燃料電池１００によって充電される。また、電気自動車１０の制動時、すなわち、電気自動車１０の走行中に運転者がブレーキを踏み込む動作を行った時には、発電機として動作する駆動モータ９２０によって充電される。
【００３５】
電源制御部８００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit），ＲＯＭ（Read Only Memory），ＲＡＭ（Random Access Memory）等を有するワンチップマイクロコンピュータである。このＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム２０における種々の制御処理を実行する。電源制御部８００は、マルチタスク機能を有し、複数の制御処理を同時に実行することができる。
【００３６】
電源制御部８００は、供給圧力センサ３１５，ガス濃度センサ４０５，上流圧力センサ４３５，下流圧力センサ４４５，バルブ開度センサ４４２，触媒温度センサ４７５，電圧センサ７２０，電流センサ７３０の他、運転者のアクセル操作を検出するスロットル開度センサ９４０などと電気的に接続され、これらのセンサから種々の検出信号の入力を受ける。この他、二次電池７９０とも電気的に接続され、ＳＯＣの検出信号の入力を受ける。一方、電源制御部８００は、タンクシャットバルブ３１０，入口シャットバルブ３６０，出口シャットバルブ４１０，循環ポンプ４３０，排気シャットバルブ４４０，エアポンプ５２０，スイッチ７１０，ＤＣ／ＤＣコンバータ７８０，駆動インバータ９１０とも電気的に接続され、これらの機器に対して種々の制御信号を出力する。
【００３７】
なお、電気自動車１０の構成の説明を他の実施例にも用いるため、図１に示した燃料電池システム２０は、ガス濃度センサ４０５およびバルブ開度センサ４４２，触媒温度センサ４７５を備えるが、第１の実施例においては、これらを必ずしも備える必要はない。
【００３８】
Ａ−（２）．燃料電池システム２０の動作：
次に、燃料電池システム２０の動作について説明する。燃料電池システム２０は、電気自動車１０における走行負荷や補機駆動負荷などの要求負荷に対して燃料電池１００による発電電力を供給する「ＦＣ運転モード」や、要求負荷に対して二次電池７９０による蓄電電力を供給する「二次電池運転モード」、燃料電池１００の発電電力を二次電池７９０に蓄える「充電モード」などの種々の運転モードで動作する。燃料電池システム２０の電源制御部８００は、エネルギ効率を考慮した運転モードを選択し、選択した運転モードに応じた制御処理を実行する。この運転モードの選択は、所定のタイミングで実行される。制御処理を実行中の運転モードとは異なる他の運転モードを選択した場合には、実行中の制御処理を直ちに終了し、選択した他の運転モードの制御処理を開始する。
【００３９】
なお、燃料電池１００の運転が停止されている状態では、燃料電池１００の各ガス流路に設けられた種々のバルブは閉弁し、種々のポンプは停止するとともに、スイッチ７１０は切断されている。この状態では、燃料ガスおよび酸化ガスの供給・排気は遮断されるとともに、燃料電池１００における電力生成は停止されている。
【００４０】
次に、電源制御部８００が実行する種々の運転モードに応じた制御処理の１つとして、ＦＣ運転モードを選択した際の制御処理であるＦＣ運転モード制御処理について説明する。図２は、電源制御部８００のＦＣ運転モード制御処理を示すフローチャートである。電源制御部８００は、「ＦＣ運転モード」を選択すると、種々のフラグやタイマのリセットなどの初期設定を行った後に、ＦＣ運転モード制御処理を「ＦＣ運転モード」が選択されている限り繰り返し実行する。このＦＣ運転モード制御処理と同時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７８０を制御することによって、要求負荷に応じた目標電圧を燃料電池１００から出力させるとともに、駆動インバータ９１０を制御することによって、要求負荷のうちの走行負荷を駆動モータ９２０から出力させる。
【００４１】
ＦＣ運転モード制御処理を開始すると、フラグＦａがセットされているか否かを判断し（ステップＳ１０）、フラグＦａがセットされていない場合には、排気シャットバルブ４４０が開故障であるか否かを判断する開故障判断処理を行う（ステップＳ２０）。フラグＦａは、排気シャットバルブ４４０の開故障であるか否かを示すフラグである。フラグＦａの値は、初期設定の際に「０」に設定され、開故障判断処理（ステップＳ２０）にて排気シャットバルブ４４０の開故障であると判断されるとセットされ「１」に設定される。なお、開故障判断処理の詳細については後述する。
【００４２】
開故障判断処理の後（ステップＳ２０）、フラグＦａがセットされているか否かを判断し（ステップＳ３０）、フラグＦａがセットされていない場合には、燃料電池１００の正常時運転を行う（ステップＳ４０）。
【００４３】
燃料電池１００の正常時運転（ステップＳ４０）では、スイッチ７１０を接続することによって、燃料電池１００における電力生成を可能とするとともに、種々のガス流路補機を駆動制御することによって、燃料電池１００における発電電力に見合った燃料ガスおよび酸化ガスを供給する。酸化ガス側では、エアポンプ５２０を稼動させる。燃料ガス側では、タンクシャットバルブ３１０および入口シャットバルブ３６０，出口シャットバルブ４１０を開弁させ続け、循環ポンプ４３０を稼動させるとともに、間欠的に排気シャットバルブ４４０を開弁させる。なお、排気シャットバルブ４４０の開弁の間隔は、運転条件や要求負荷により異なるが、例えば、５秒に１回程度としても良いし、燃料オフガスの窒素濃度もしくは水素濃度、発電量の積算値などに基づいて行うこととしても良い。また、１回の開弁時間は、１秒以下が好ましく、０．５秒程度がより好ましい。
【００４４】
この様にすることで、燃料オフガスは循環流路４９０を介して循環するとともに、一部の燃料オフガスは排気シャットバルブ４４０から排気される。排気シャットバルブ４４０から排気された分の燃料ガスは、水素タンク２００から供給される。この結果、燃料電池１００内におけるアノード側の不純物を除去することができるとともに、循環する燃料ガス中の不純物（例えば、窒素）の濃度を所定の濃度以下に抑えることができる。したがって、燃料電池１００における電気化学反応に燃料ガスを効率良く供することができる。
【００４５】
燃料電池１００の正常時運転を行った後（ステップＳ４０）、ＦＣ運転モード制御処理を終了し、引き続き「ＦＣ運転モード」が選択されている状態であれば、再びＦＣ運転モード制御処理を開始する。
【００４６】
一方、開故障判断処理（ステップＳ２０）において排気シャットバルブ４４０が開故障であると判断されフラグＦａがセットされた場合には（ステップＳ３０）、循環ポンプ４３０を停止した後（ステップＳ５０）、出口シャットバルブ４１０を閉弁させる（ステップＳ５２）。この結果、アノード排気流路４００における出口シャットバルブ４１０の下流側への水素オフガスの流動を阻止することができる。また、循環ポンプ４３０の停止後に出口シャットバルブ４１０を閉弁させるため、循環ポンプ４３０に過大な負荷がかかることを防止することができる。
【００４７】
出口シャットバルブ４１０を閉弁させた（ステップＳ５２）後、開故障判断処理（ステップＳ２０）および後述の継続判断処理（ステップＳ６０）において用いるタイマＴをリセットする（ステップＳ５４）。その後、燃料電池１００の非常時運転を行う（ステップＳ８０）。
【００４８】
燃料電池１００の非常時運転（ステップＳ８０）では、正常時運転（ステップＳ４０）と異なり、循環ポンプ４３０を停止させるとともに出口シャットバルブ４１０を閉弁させた状態で電力生成を行う。この結果、排気シャットバルブ４４０の開故障の際に燃料電池１００の運転を停止する前に、水素濃度の高い水素オフガスが大気中に排気されることを防止した上で、燃料電池１００内に残留する燃料ガスを用いて電力生成を継続することができる。つまり、排気シャットバルブ４４０の開故障の際のリンプホームを行うことができる。
【００４９】
燃料電池１００の非常時運転を行った後（ステップＳ８０）、ＦＣ運転モード制御処理を終了し、引き続き「ＦＣ運転モード」が選択されている状態であれば、再びＦＣ運転モード制御処理を開始する。
【００５０】
開故障判断処理（ステップＳ２０）において排気シャットバルブ４４０が開故障であると判断されフラグＦａがセットされた状態で、再びＦＣ運転モード制御処理が開始された場合には（ステップＳ１０）、燃料電池１００における電力生成、すなわち、燃料電池１００の運転を継続するか否かを判断する継続判断処理を行う（ステップＳ６０）。
【００５１】
この継続判断処理は、燃料電池１００の状態に基づいて、燃料電池１００の耐久信頼性が著しく低下する前段階の状態を検知すると、燃料電池１００の運転継続をしないと判断しフラグＦｂをセットする。したがって、燃料電池１００の耐久信頼性の著しい低下を防止できる範囲内で、燃料電池１００の運転を継続すると判断する。フラグＦｂは、燃料電池１００における電力生成を継続するか否かを示すフラグである。フラグＦｂの値は、初期設定の際に「０」に設定され、継続判断処理（ステップＳ６０）にて燃料電池１００の運転継続をしないと判断されるとセットされ「１」に設定される。なお、継続判断処理の詳細については後述する。
【００５２】
継続判断処理の後（ステップＳ６０）、フラグＦｂがセットされているか否かを判断し（ステップＳ７０）、フラグＦｂがセットされていない場合には、前述の燃料電池１００の非常時運転を行う（ステップＳ８０）。燃料電池１００の非常時運転を行った後（ステップＳ８０）、ＦＣ運転モード制御処理を終了し、引き続き「ＦＣ運転モード」が選択されている状態であれば、再びＦＣ運転モード制御処理を開始する。
【００５３】
一方、継続判断処理（ステップＳ６０）において燃料電池１００の電力生成を継続しないと判断されフラグＦｂがセットされた場合には（ステップＳ７０）、燃料電池１００の運転を停止する（ステップＳ９０）。すなわち、燃料電池１００の各ガス流路に設けられた種々のバルブを閉弁させ、種々のポンプを停止させるとともに、スイッチ７１０を切断する。これによって、燃料ガスおよび酸化ガスの供給・排気は遮断されるとともに、燃料電池１００における電力生成は停止する。
【００５４】
燃料電池１００の運転停止の後（ステップＳ９０）、運転モードを二次電池運転モードへ移行して（ステップＳ９５）、ＦＣ運転モード制御処理を終了する。その後、電源制御部８００は、二次電池運転モードの制御処理を実行し、電気自動車１０は、二次電池７９０の蓄電電力のみを動力源として走行する。
【００５５】
Ａ−（３）．電源制御部８００の開故障判断処理：
次に、電源制御部８００が前述のＦＣ運転モード制御処理において行う開故障判断処理（図２中のステップＳ２０）の詳細について説明する。図３は、第１の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。
【００５６】
開故障判断処理を開始すると、上流圧力センサ４３５が検出した圧力Ｐ１と、下流圧力センサ４４５が検出した圧力Ｐ２とに基づいて、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧「ΔＰ＝｜Ｐ１−Ｐ２｜」が所定圧力α１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。
【００５７】
排気シャットバルブ４４０を閉弁した状態では、排気シャットバルブ４４０の上流側は水素タンク２００や循環ポンプ４３０によって加圧される一方、下流側は大気中へと開放されているため、差圧ΔＰは所定圧力α１より大きくなる。排気シャットバルブ４４０を開弁した状態では、上流側と下流側とが連通するため、差圧ΔＰは所定圧力α１以下となる。したがって、差圧ΔＰが所定圧力α１以下である場合には、排気シャットバルブ４４０は開弁状態であると判断することができる。
【００５８】
差圧ΔＰが所定圧力α１以下でないと判断した場合には（ステップＳ１１０）、タイマＴをリセットし（ステップＳ１１６）、フラグＦａの値が初期設定の「０」のまま処理を終了する（ステップＳ１１８）。また、差圧ΔＰが所定圧力α１以下であると判断した場合には（ステップＳ１１０）、タイマＴが所定時間ｔａ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１２）。タイマＴが所定時間ｔａ１以上でないと判断した場合には（ステップＳ１１２）、フラグＦａの値が初期設定の「０」のまま処理を終了する（ステップＳ１１８）。この所定時間ｔａ１は、前述の燃料電池１００の正常時運転（図２中のステップＳ４０）における排気シャットバルブ４４０の１回の開弁時間よりも長い時間である。
【００５９】
一方、差圧ΔＰが所定圧力α１以下であると判断し（ステップＳ１１０）、タイマＴが所定時間ｔａ１以上であると判断した場合には（ステップＳ１１２）、排気シャットバルブ４４０が正常時運転における１回の開弁時間よりも長く開弁した状態、すなわち、排気シャットバルブ４４０の開故障であると判断しフラグＦａをセットした後（ステップＳ１１４）、処理を終了する。
【００６０】
第１の実施例の開故障判断処理では、排気シャットバルブ４４０の開故障が発生した場合に、差圧ΔＰが所定圧力α１以下である状態が所定時間ｔａ１以上継続することを開故障の判断条件として、予め運転試験などにより得ておくことによって、アノード排気流路４００内の圧力Ｐ１，Ｐ２に基づいて、排気シャットバルブ４４０が開故障であるか否かを判断することができる。
【００６１】
Ａ−（４）．電源制御部８００の継続判断処理：
次に、電源制御部８００が前述のＦＣ運転モード制御処理において行う継続判断処理（図２中のステップＳ６０）の詳細について説明する。図４は、第１の実施例における継続判断処理を示すフローチャートである。
【００６２】
継続判断処理を開始すると、電圧センサ７２０が検出した燃料電池１００の出力電圧Ｖと、電流センサ７３０が検出した燃料電池１００の出力電流Ｉとに基づいて、出力電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係であるＩ−Ｖ性能が低下したか否かを判断する（ステップＳ２１０）。
【００６３】
図５は、燃料電池１００のＩ−Ｖ性能の低下を示す説明図である。図５は、横軸に燃料電池１００の出力電流Ｉをとり、縦軸に燃料電池１００の出力電圧Ｖをとり、燃料電池１００のＩ−Ｖ性能を表す。図５中の曲線Ｃ１は、正常な燃料電池１００を定常的に運転した場合のＩ−Ｖ性能を示す定常Ｉ−Ｖ性能曲線である。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ７８０によって目標電圧を設定し、定常的に燃料電池１００を運転した場合には、定常Ｉ−Ｖ性能曲線Ｃ１上の運転ポイント（例えば、図５中の運転ポイントＤ１）で燃料電池１００を運転することとなる。図５中の曲線Ｃ２は、定常Ｉ−Ｖ性能曲線Ｃ１に対して出力電圧Ｖが所定電圧β１だけ低下した曲線を示す。この曲線Ｃ２と各軸とによって囲まれた領域Ａｆは、Ｉ−Ｖ性能が低下したと判断する領域である。すなわち、領域Ａｆ内に運転ポイントが位置する場合に（例えば、図５中の運転ポイントＤ２）、Ｉ−Ｖ性能が低下したと判断される。
【００６４】
Ｉ−Ｖ性能の低下は、燃料電池１００内の温度や、圧力，水素濃度，窒素濃度，酸素濃度などの種々の要因によって、燃料電池１００における正常な電気化学反応が阻害されることによって発生する。そのため、正常に燃料電池１００が運転されている場合であっても、一時的にＩ−Ｖ性能が低下することもあるが、燃料ガスの供給を増やすなど正常な電気化学反応を促進させる制御を行うことによって、直ちに定常Ｉ−Ｖ性能曲線Ｃ１付近の運転ポイントで運転することとなる。
【００６５】
前述の燃料電池１００の非常時運転（図２中のステップＳ８０）の場合には、残留燃料ガス中の水素濃度の低下や不純物濃度の上昇などに伴って、正常な電気化学反応が阻害され、過大な発熱を伴う異常な電気化学反応が増加する。この異常な電気化学反応が増加した状態が続くと、その過大な発熱によって、燃料電池１００の内部構造の損傷を招き、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させることとなる。つまり、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させてしまう前段階では、正常な電気化学反応が阻害され続けるため、Ｉ−Ｖ性能が低下し続けることとなる。
【００６６】
運転ポイントが領域Ａｆ内に位置せず、Ｉ−Ｖ性能が低下していないと判断した場合には（ステップＳ２１０）、タイマＴをリセットし（ステップＳ２１６）、フラグＦｂの値が初期設定の「０」のまま処理を終了する（ステップＳ２１８）。また、運転ポイントが領域Ａｆ内に位置し、Ｉ−Ｖ性能が低下したと判断した場合には（ステップＳ２１０）、タイマＴが所定時間ｔｂ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ２１２）。タイマＴが所定時間ｔｂ１以上でないと判断した場合には（ステップＳ１１２）、フラグＦｂの値が初期設定の「０」のまま処理を終了する（ステップＳ２１８）。この所定時間ｔｂ１は、正常な燃料電池１００の運転中に一時的にＩ−Ｖ性能が低下してしまう時間よりも長い時間である。
【００６７】
一方、Ｉ−Ｖ性能が低下したと判断し（ステップＳ２１０）、タイマＴが所定時間ｔｂ１以上であると判断した場合には（ステップＳ２１２）、燃料電池１００の耐久信頼性の著しく低下させる危険があるため、燃料電池１００の運転継続をしないと判断し、フラグＦｂをセットした後（ステップＳ２１４）、処理を終了する。
【００６８】
第１の実施例の継続判断処理では、燃料電池１００の耐久信頼性が著しく低下する前段階として、Ｉ−Ｖ性能が低下した状態が所定時間ｔｂ１以上継続することを燃料電池１００の運転継続の可否の判断条件として、予め燃料電池１００の耐久試験などにより得ておくことによって、燃料電池１００のＩ−Ｖ性能に基づいて、燃料電池１００の運転継続の可否を判断することができる。
【００６９】
以上説明した燃料電池システム２０によれば、排気シャットバルブ４４０の開故障が発生した際に、アノード排気流路４００に設けられた出口シャットバルブ４１０を閉弁させるため、大気圧よりも高圧である燃料電池１００内の燃料ガスが、アノード排気流路４００を通じて大気中へ流出することを防止することができる。この結果、水素濃度の高い水素オフガスが大気中に排気されることを防止した上で、燃料電池１００の運転を停止する前に、燃料電池１００内に残留する燃料ガスを用いて電力生成を継続することができる。つまり、排気シャットバルブ４４０の開故障の際に、リンプホームを行うことができる。したがって、リンプホームによる発電電力の分だけ電気自動車１０の待避走行距離を延ばすことができる。
【００７０】
また、リンプホーム時の燃料電池１００の状態に基づいて、電力生成の継続の可否を燃料電池１００の耐久信頼性を考慮して判断することによって、リンプホームを過剰に行うことによる燃料電池１００の耐久信頼性の著しい低下を防止することができる。
【００７１】
Ｂ．第２の実施例（開故障判断処理）：
次に、本発明の第２の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。第２の実施例の燃料電池システム２０の構成は、図１に示した第１の実施例の燃料電池システム２０の構成とほぼ同様である。ただし、電気自動車１０の構成の説明を他の実施例にも用いるため、図１に示した燃料電池システム２０は、ガス濃度センサ４０５および下流圧力センサ４４５，バルブ開度センサ４４２，触媒温度センサ４７５を備えるが、第２の実施例においては、これらを必ずしも備える必要はない。
【００７２】
次に、第２の実施例の燃料電池システム２０の動作について説明する。第２の実施例の燃料電池システム２０の動作は、電源制御部８００が実行する開故障判断処理の詳細のみが異なる以外、第１の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【００７３】
次に、第２の実施例における電源制御部８００がＦＣ運転モード制御処理において行う開故障判断処理（図２中のステップＳ２０）の詳細について説明する。図６は、第２の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。第２の実施例の開故障判断処理は、第１の実施例の開故障判断処理と異なり、上流圧力センサ４３５が検出した圧力Ｐ１に基づいて、圧力Ｐ１が所定圧力α２以下であると判断し（ステップＳ１２０）、タイマＴが所定時間ｔａ２以上であると判断した場合に（ステップＳ１２２）、排気シャットバルブ４４０の開故障であると判断し、フラグＦａをセットする（ステップＳ１２４）。この所定時間ｔａ２は、前述の燃料電池１００の正常時運転（図２中のステップＳ４０）における排気シャットバルブ４４０の１回の開弁時間よりも長い時間である。
【００７４】
排気シャットバルブ４４０を閉弁した状態では、排気シャットバルブ４４０の上流側は水素タンク２００や循環ポンプ４３０によって加圧されるため、圧力Ｐ１は所定圧力α２より大きくなる。排気シャットバルブ４４０を開弁した状態では、上流側が大気中へと開放されるため、圧力Ｐ１は所定圧力α２以下となる。したがって、圧力Ｐ１が所定圧力α２以下である場合には、排気シャットバルブ４４０は開弁状態であると判断することができる。
【００７５】
第２の実施例の開故障判断処理では、排気シャットバルブ４４０の開故障が発生した場合に、圧力Ｐ１が所定圧力α２以下である状態が所定時間ｔａ２以上継続することを開故障の判断条件として、予め運転試験などにより得ておくことによって、アノード排気流路４００内の圧力Ｐ１に基づいて、排気シャットバルブ４４０の開故障を判断することができる。
【００７６】
Ｃ．第３の実施例（開故障判断処理）：
次に、本発明の第３の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。第３の実施例の燃料電池システム２０の構成は、図１に示した第１の実施例の燃料電池システム２０の構成とほぼ同様である。ただし、電気自動車１０の構成の説明を他の実施例にも用いるため、図１に示した燃料電池システム２０は、ガス濃度センサ４０５および上流圧力センサ４３５，下流圧力センサ４４５，バルブ開度センサ４４２を備えるが、第３の実施例においては、これらを必ずしも備える必要はない。
【００７７】
次に、第３の実施例の燃料電池システム２０の動作について説明する。第３の実施例の燃料電池システム２０の動作は、電源制御部８００が実行する開故障判断処理の詳細のみが異なる以外、第１の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【００７８】
次に、第３の実施例における電源制御部８００がＦＣ運転モード制御処理において行う開故障判断処理（図２中のステップＳ２０）の詳細について説明する。図７は、第３の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。第３の実施例の開故障判断処理は、第１の実施例の開故障判断処理と異なり、触媒温度センサ４７５が検出したコンバスタ４７０の触媒温度Ｃｔに基づいて、触媒温度Ｃｔが所定温度α３以上であると判断し（ステップＳ１３０）、タイマＴが所定時間ｔａ３以上であると判断した場合に（ステップＳ１３２）、排気シャットバルブ４４０の開故障であると判断し、フラグＦａをセットする（ステップＳ１３４）。
【００７９】
正常に燃料電池１００が運転されている場合には、排気シャットバルブ４４０は間欠的に開弁し、コンバスタ４７０は間欠的に水素の燃焼を行うこととなるため、コンバスタ４７０の触媒温度Ｃｔが所定温度α３以上となる状態が所定時間ｔａ３以上継続することはない。排気シャットバルブ４４０が開故障である場合には、コンバスタ４７０は連続的に水素の燃焼を行うこととなるため、コンバスタ４７０の触媒温度Ｃｔが所定温度α３以上となる状態が所定時間ｔａ３以上継続する。したがって、コンバスタ４７０の触媒温度Ｃｔが所定温度α３以上となる状態が所定時間ｔａ３以上継続する場合には、排気シャットバルブ４４０の開故障であると判断することができる。
【００８０】
第３の実施例の開故障判断処理では、排気シャットバルブ４４０の開故障が発生した場合に、触媒温度Ｃｔが所定温度α３以上である状態が所定時間ｔａ３以上継続することを開故障の判断条件として、予め運転試験などにより得ておくことによって、アノード排気流路４００に設けられたコンバスタ４７０の触媒温度Ｃｔに基づいて、排気シャットバルブ４４０の開故障を判断することができる。
【００８１】
Ｄ．第４の実施例（開故障判断処理）：
次に、本発明の第４の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。第４の実施例の燃料電池システム２０の構成は、図１に示した第１の実施例の燃料電池システム２０の構成とほぼ同様である。ただし、電気自動車１０の構成の説明を他の実施例にも用いるため、図１に示した燃料電池システム２０は、ガス濃度センサ４０５および上流圧力センサ４３５，下流圧力センサ４４５，触媒温度センサ４７５を備えるが、第４の実施例においては、これらを必ずしも備える必要はない。
【００８２】
次に、第４の実施例の燃料電池システム２０の動作について説明する。第４の実施例の燃料電池システム２０の動作は、電源制御部８００が実行する開故障判断処理の詳細のみが異なる以外、第１の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【００８３】
次に、第４の実施例における電源制御部８００がＦＣ運転モード制御処理において行う開故障判断処理（図２中のステップＳ２０）の詳細について説明する。図８は、第４の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。第４の実施例の開故障判断処理は、第１の実施例の開故障判断処理と異なり、バルブ開度センサ４４２が検出した排気シャットバルブ４４０のバルブ開度に基づいて、排気シャットバルブ４４０が開弁状態であると判断し（ステップＳ１４０）、タイマＴが所定時間ｔａ４以上であると判断した場合に（ステップＳ１４２）、排気シャットバルブ４４０の開故障であると判断し、フラグＦａをセットする（ステップＳ１４４）。この所定時間ｔａ４は、前述の燃料電池１００の正常時運転（図２中のステップＳ４０）における排気シャットバルブ４４０の１回の開弁時間よりも長い時間である。
【００８４】
第４の実施例の開故障判断処理では、排気シャットバルブ４４０が正常時よりも長く開弁することを開故障の判断条件として、排気シャットバルブ４４０の開故障を直接的に判断することができる。
【００８５】
Ｅ．第５の実施例（継続判断処理）：
次に、本発明の第５の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。第５の実施例の燃料電池システム２０の構成は、図１に示した第１の実施例の燃料電池システム２０の構成とほぼ同様である。ただし、電気自動車１０の構成の説明を他の実施例にも用いるため、図１に示した燃料電池システム２０は、バルブ開度センサ４４２および触媒温度センサ４７５を備えるが、第５の実施例においては、これらを必ずしも備える必要はない。なお、第５の実施例におけるガス濃度センサ４０５は、窒素濃度のみを検出するセンサであっても良い。
【００８６】
次に、第５の実施例の燃料電池システム２０の動作について説明する。第５の実施例の燃料電池システム２０の動作は、電源制御部８００が実行する運転継続判断処理の詳細のみが異なる以外、第１の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【００８７】
次に、第５の実施例における電源制御部８００がＦＣ運転モード制御処理において行う運転継続判断処理（図２中のステップＳ６０）の詳細について説明する。図９は、第５の実施例における運転継続判断処理を示すフローチャートである。第５の実施例の運転継続判断処理は、第１の実施例の運転継続判断処理と異なり、ガス濃度センサ４０５が検出した窒素濃度Ｎｃに基づいて、窒素濃度Ｎｃが所定濃度β２以上であると判断し（ステップＳ２２０）、タイマＴが所定時間ｔｂ２以上であると判断した場合に（ステップＳ２２２）、燃料電池１００の運転継続をしないと判断し、フラグＦｂをセットする（ステップＳ２２４）。
【００８８】
前述の燃料電池１００の非常時運転（図２中のステップＳ８０）の場合には、燃料オフガスが排出されないため、電力生成に応じて残留燃料ガス中の窒素濃度Ｎｃは上昇する。この窒素濃度Ｎｃの上昇に伴って、正常な電気化学反応が阻害され、過大な発熱を伴う異常な電気化学反応が増加し、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させることとなる。つまり、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させてしまう前段階では、窒素濃度Ｎｃが所定濃度β２以上である状態が所定時間ｔｂ２以上継続することとなる。
【００８９】
第５の実施例の運転継続判断処理では、燃料電池１００の耐久信頼性が著しく低下する前段階として、燃料電池１００内の残留燃料ガスの窒素濃度Ｎｃが所定濃度β２以上である状態が所定時間ｔｂ２以上継続することを燃料電池１００の運転継続の可否の判断条件として、予め燃料電池１００の耐久試験などにより得ておくことによって、燃料電池１００の残留燃料ガスの窒素濃度Ｎｃに基づいて、燃料電池１００の運転継続の可否を判断することができる。なお、第２ないし４の実施例における運転継続判断処理に、第５の実施例の運転継続判断処理を適用しても良い。
【００９０】
Ｆ．第６の実施例（継続判断処理）：
次に、本発明の第６の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。第６の実施例の燃料電池システム２０の構成は、図１に示した第５の実施例の燃料電池システム２０の構成と同様である。なお、第６の実施例におけるガス濃度センサ４０５は、水素濃度のみを検出するセンサであっても良い。
【００９１】
次に、第６の実施例の燃料電池システム２０の動作について説明する。第６の実施例の燃料電池システム２０の動作は、電源制御部８００が実行する運転継続判断処理の詳細のみが異なる以外、第５の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【００９２】
次に、第６の実施例における電源制御部８００がＦＣ運転モード制御処理において行う運転継続判断処理（図２中のステップＳ６０）の詳細について説明する。図１０は、第６の実施例における運転継続判断処理を示すフローチャートである。第６の実施例の運転継続判断処理は、第５の実施例の運転継続判断処理と異なり、ガス濃度センサ４０５が検出した水素濃度Ｈｃに基づいて、水素濃度Ｈｃが所定濃度β３以下であると判断し（ステップＳ２３０）、タイマＴが所定時間ｔｂ３以上であると判断した場合に（ステップＳ２３２）、燃料電池１００の運転継続をしないと判断し、フラグＦｂをセットする（ステップＳ２３４）。
【００９３】
前述の燃料電池１００の非常時運転（図２中のステップＳ８０）の場合には、燃料ガスが供給されないため、電力生成に応じて残留燃料ガス中の水素濃度Ｈｃは低下する。この水素濃度Ｈｃの低下に伴って、正常な電気化学反応が阻害され、過大な発熱を伴う異常な電気化学反応が増加し、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させることとなる。つまり、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させてしまう前段階では、水素濃度Ｈｃが所定濃度β３以上である状態が所定時間ｔｂ３以上継続することとなる。
【００９４】
第６の実施例の運転継続判断処理では、燃料電池１００の耐久信頼性が著しく低下する前段階として、燃料電池１００内の残留燃料ガスの水素濃度Ｈｃが所定濃度β３以下である状態が所定時間ｔｂ３以上継続することを燃料電池１００の運転継続の可否の判断条件として、予め燃料電池１００の耐久試験などにより得ておくことによって、燃料電池１００の残留燃料ガスの水素濃度Ｈｃに基づいて、燃料電池１００の運転継続の可否を判断することができる。なお、第２ないし４の実施例における運転継続判断処理に、第６の実施例の運転継続判断処理を適用しても良い。
【００９５】
Ｇ．第７の実施例（継続判断処理）：
次に、本発明の第７の実施例の燃料電池システム２０の構成について説明する。第７の実施例の燃料電池システム２０の構成は、図１に示した第１の実施例の燃料電池システム２０の構成とほぼ同様である。ただし、電気自動車１０の構成の説明を他の実施例にも用いるため、図１に示した燃料電池システム２０は、ガス濃度センサ４０５およびバルブ開度センサ４４２，触媒温度センサ４７５を備えるが、第７の実施例においては、これらを必ずしも備える必要はない。
【００９６】
次に、第７の実施例の燃料電池システム２０の動作について説明する。第７の実施例の燃料電池システム２０の動作は、電源制御部８００が実行する運転継続判断処理の詳細のみが異なる以外、第１の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【００９７】
次に、第７の実施例における電源制御部８００がＦＣ運転モード制御処理において行う運転継続判断処理（図２中のステップＳ６０）の詳細について説明する。図１１は、第７の実施例における運転継続判断処理を示すフローチャートである。第７の実施例の運転継続判断処理は、第１の実施例の運転継続判断処理と異なり、要求負荷が増加した際（例えば、運転者がアクセルを踏み込むことによって、スロットル開度ＴＡが増加した際）の燃料電池１００の出力電圧Ｖの電圧降下Ｖｄに基づいて、電圧降下Ｖｄが所定電圧β４以上となった場合に（ステップＳ２４０）、燃料電池１００の運転継続をしないと判断しフラグＦｂをセットする（ステップＳ２４４）。
【００９８】
図１２は、燃料電池１００の電圧降下を示す説明図である。図１２は、横軸に時間ｔをとり、縦軸に燃料電池１００の出力電圧Ｖをとり、燃料電池１００の電圧降下Ｖｄを表す。図１２中の二点鎖線ＴＡは、スロットル開度を示し、タイミングｔ７でスロットル開度ＴＡが増加した状態を表している。図１２中の曲線Ｖｎは、要求負荷が増加した際の燃料電池１００の出力電圧Ｖの正常な推移を示す正常電圧曲線である。前述の図５中の定常Ｉ−Ｖ性能曲線Ｃ１が示すように、燃料電池１００の特性は、出力電力の増加に伴って、出力電圧Ｖは低下し、出力電流Ｉは増加する。例えば、図１２に示すように、タイミングｔ７のスロットル開度ＴＡの増加によって要求負荷が増加すると、燃料電池１００は、出力電圧Ｖ１より低い出力電圧Ｖ２で運転されることとなる。
【００９９】
燃料電池１００において正常な電気化学反応が行われている場合には、正常電圧曲線Ｖｎに沿って、出力電圧Ｖ１から出力電圧Ｖ２へ徐々に電圧が推移する。燃料電池１００において正常な電気化学反応が阻害されている場合には、曲線Ｖａで示すように、電圧降下Ｖｄが発生し、出力電圧Ｖ２で安定する前に出力電圧Ｖ２よりも出力電圧が降下する。燃料電池１００において正常な電気化学反応が阻害された状態では、過大な発熱を伴う異常な電気化学反応が増加し、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させることとなる。つまり、燃料電池１００の耐久信頼性を著しく低下させてしまう前段階では、電圧降下Ｖｄが増大する。
【０１００】
第７の実施例の運転継続判断処理では、燃料電池１００の耐久信頼性が著しく低下する前段階として、電圧降下Ｖｄが所定電圧β４以上となることを燃料電池１００の運転継続の可否の判断条件として、予め燃料電池１００の耐久試験などにより得ておくことによって、燃料電池１００の出力電圧Ｖに基づいて、燃料電池１００の運転継続の可否を判断することができる。なお、第２ないし４の実施例における運転継続判断処理に、第７の実施例の運転継続判断処理を適用しても良い。
【０１０１】
Ｈ．第８の実施例（デッドエンドタイプ）：
次に、本発明の第８の実施例の燃料電池システム２１について説明する。図１３は、第８の実施例の燃料電池システム２１を搭載した電気自動車１１の概略構成を示すブロック図である。なお、図１の中では、図面を見やすくするために、一部の制御線などは省略されている。第８の実施例の燃料電池システム２１の構成は、燃料ガスを循環させるための装置である循環ポンプ４３０および循環流路４９０を備えていない点以外は、第１の実施例の燃料電池システム２０の構成と同様である。つまり、第１の実施例の燃料電池システム２０は、燃料ガスを循環させる、いわゆる、循環タイプのシステムであり、第８の実施例の燃料電池システム２１は、燃料オフガスを循環させることなく排気する、いわゆる、デッドエンドタイプのシステムである。第８の実施例の燃料電池システム２１の動作は、循環ポンプ４３０に関する処理がない点以外は、第１の実施例の燃料電池システム２０の動作と同様である。
【０１０２】
第８の実施例の燃料電池システム２１によれば、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。なお、第８の実施例の燃料電池システムの開故障判断処理に、第２ないし４の実施例の開故障判断処理を適用しても良いし、第８の実施例の燃料電池システムの継続判断処理に、第５ないし７の実施例の継続判断処理を適用しても良い。
【０１０３】
Ｉ．その他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、燃料電池１００の水素供給源として水素タンク２００を用いるが、この水素供給源としては、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を備えた水素吸蔵合金タンクを用いても良いし、メタノールやメタン，ガソリンなどの燃料を改質して燃料ガスを供給する改質装置を用いても良い。なお、これらの他の水素供給源を用いた場合には、燃料ガス供給流路３００やアノード排気流路４００，循環流路４９０などを、水素供給源に対応した形態に変更したとしても、本発明を適用することができる。
【０１０４】
また、開故障判断に基づいて閉弁するバルブは、出口シャットバルブ４１０に限るものではなく、アノード排気流路４００に設けられた排気シャットバルブ４４０以外のバルブであれば良い。
【０１０５】
また、開故障判断処理においては、アノード排気流路４００の圧力、コンバスタ４７０の触媒温度Ｃｔ、排気シャットバルブ４４０のバルブ開度、排気シャットバルブ４４０の開閉を制御する開閉指示信号のうち少なくとも１つに基づいて、開故障の判断を行うこととしても良い。この開故障判断処理では、開閉指示信号に基づく場合には、排気シャットバルブ４４０の制御系に起因する開故障を判断することができる。また、複数の判断条件を用いて少なくとも１つに該当する際に開故障であると判断する場合には、一部のセンサなどが故障していたとしても確実に開故障の判断を行うことができる。また、少なくとも２つの判断条件の組み合わせによって開故障を判断する場合には、判断精度を向上させることができる。
【０１０６】
また、継続判断処理においては、燃料電池１００のＩ−Ｖ性能、残留燃料ガスの窒素濃度Ｎｃ、残留燃料ガスの水素濃度Ｈｃ、電圧降下Ｖｄのうち少なくとも１つに基づいて、運転継続の判断を行うこととしても良い。この継続判断処理では、複数の判断条件を用いて少なくとも１つに該当する際に運転継続不可であると判断する場合には、一部のセンサなどが故障していたとしても確実に運転継続の判断を行うことができる。また、少なくとも２つの判断条件の組み合わせによって運転継続を判断する場合には、判断精度を向上させることができる。
【０１０７】
また、本実施例では、希釈容器４５０やコンバスタ４７０を備えたシステムを示したが、これらの装置を持たないシステムに本発明を適用することができることは勿論である。また、本発明の適用は、電気自動車に搭載された燃料電池システムに限るものではなく、電力を動力源とする船舶などに搭載された燃料電池システムや、家庭用燃料電池などに適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施例である燃料電池システム２０を搭載した電気自動車１０の概略構成を示すブロック図である。
【図２】電源制御部８００のＦＣ運転モード制御処理を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施例における継続判断処理を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池１００のＩ−Ｖ性能の低下を示す説明図である。
【図６】第２の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。
【図７】第３の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施例における開故障判断処理を示すフローチャートである。
【図９】第５の実施例における運転継続判断処理を示すフローチャートである。
【図１０】第６の実施例における運転継続判断処理を示すフローチャートである。
【図１１】第７の実施例における運転継続判断処理を示すフローチャートである。
【図１２】燃料電池１００の電圧降下を示す説明図である。
【図１３】第８の実施例の燃料電池システム２１を搭載した電気自動車１１の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０，１１...電気自動車
２０，２１...燃料電池システム
１００...燃料電池
２００...水素タンク
３００...燃料ガス供給流路
３１０...タンクシャットバルブ
３１５...供給圧力センサ
３２０，３４０...減圧バルブ
３３０...熱交換器
３６０...入口シャットバルブ
４００...アノード排気流路
４０５...ガス濃度センサ
４１０...出口シャットバルブ
４３０...循環ポンプ
４３５...上流圧力センサ
４４０...排気シャットバルブ
４４２...バルブ開度センサ
４４５...下流圧力センサ
４５０...希釈容器
４６０...気液分離器
４７０...コンバスタ
４７５...触媒温度センサ
４９０...循環流路
４９５...逆止弁
５００...酸化ガス供給流路
５１０...エアクリーナ
５２０...エアポンプ
５３０...加湿器
６００...カソード排気流路
７００...電気配線
７１０...スイッチ
７２０...電圧センサ
７３０...電流センサ
７８０...ＤＣ／ＤＣコンバータ
７９０...二次電池
８００...電源制御部
９１０...駆動インバータ
９２０...駆動モータ
９３０...駆動系伝達装置
９４０...スロットル開度センサ
【図１】
2005129243.tif 000003
【図２】
2005129243.tif 000004
【図３】
2005129243.tif 000005
【図４】
2005129243.tif 000006
【図５】
2005129243.tif 000007
【図６】
2005129243.tif 000008
【図７】
2005129243.tif 000009
【図８】
2005129243.tif 000010
【図９】
2005129243.tif 000011
【図１０】
2005129243.tif 000012
【図１１】
2005129243.tif 000013
【図１２】
2005129243.tif 000014
【図１３】
2005129243.tif 000015